海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上的3G無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭發(fā)東，劉海豐，李麟，李選群，李民，劉世萱，李效東

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，福建 福州 350001）

海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上的3G無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭發(fā)東1，劉海豐1，李麟2，李選群1，李民1，劉世萱1，李效東2

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，福建 福州 350001）

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在無(wú)人值守的大型海洋資料浮標(biāo)上的3G無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用值班電路對(duì)無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊進(jìn)行功耗控制，降低了系統(tǒng)的功耗。同時(shí)，對(duì)普通攝像頭進(jìn)行了防水工藝設(shè)計(jì)，可以有效耐受海上惡劣的使用環(huán)境。該系統(tǒng)已經(jīng)在海上業(yè)務(wù)運(yùn)行的浮標(biāo)上安裝應(yīng)用，近兩年的視頻數(shù)據(jù)表明，監(jiān)控效果良好，可有效地發(fā)現(xiàn)涉及浮標(biāo)安全和海洋污染等問(wèn)題。

3G無(wú)線(xiàn)視頻系統(tǒng)；監(jiān)控；浮標(biāo)

在大型海洋浮標(biāo)上安裝視頻傳輸系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀察浮標(biāo)布放海域的真實(shí)場(chǎng)景，比如過(guò)往船只、海水污染、海上漂浮物、實(shí)時(shí)海況和浮標(biāo)受到的船只碰撞或人為破壞等情況，對(duì)浮標(biāo)的安全運(yùn)行發(fā)揮著非常重要的作用［1］。因此，無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)在大型海洋資料浮標(biāo)上的應(yīng)用研究，對(duì)于浮標(biāo)的業(yè)務(wù)運(yùn)行、故障判斷以及赤潮、溢油等海洋環(huán)境災(zāi)害的觀測(cè)具有重要意義。

由于海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)在無(wú)人值守、由太陽(yáng)能供電、高濕高鹽以及溫度跨度大等環(huán)境條件下工作，因此浮標(biāo)上的供電能力有限，環(huán)境惡劣。當(dāng)前工業(yè)或民用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)大都采用220 V交流供電，不需要考慮供電能力的問(wèn)題，應(yīng)用場(chǎng)合環(huán)境相對(duì)較好，對(duì)攝像頭外殼材質(zhì)防水防鹽霧等工藝要求也不高［2］。而在浮標(biāo)上應(yīng)用實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，亟需解決系統(tǒng)功耗控制及攝像頭在惡劣環(huán)境下的防護(hù)問(wèn)題。到目前為止，國(guó)內(nèi)外的浮標(biāo)受電源容量、攝像頭在海上的使用壽命和數(shù)據(jù)傳輸帶寬等因素的制約，基本沒(méi)有安裝視頻傳輸系統(tǒng)，有的也只是安裝了本地錄像系統(tǒng)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)視頻或圖片的實(shí)時(shí)傳輸。隨著當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信、安防和太陽(yáng)能供電等技術(shù)的發(fā)展［3］，使得在大型海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在無(wú)人值守的海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上應(yīng)用存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在大型海洋資料浮標(biāo)上的無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)近海的赤潮浮標(biāo)上安裝應(yīng)用兩年多，取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1 浮標(biāo)無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustration of buoy wireless videomonitoring system

無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、3G無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊、視頻傳輸控制模塊、防水?dāng)z像頭、外置天線(xiàn)以及視頻接收客戶(hù)端組成［4］，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。依據(jù)海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上的特殊使用環(huán)境，主要進(jìn)行了視頻系統(tǒng)供電的電源管理設(shè)計(jì)與攝像頭的防護(hù)與水密設(shè)計(jì)。電源管理模塊主要以單片機(jī)為處理平臺(tái)，與高精度時(shí)鐘芯片接口，按照用戶(hù)設(shè)定的工作時(shí)序和模式，通過(guò)微處理器的I／O口控制電子開(kāi)關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻系統(tǒng)定時(shí)加斷電的自動(dòng)控制。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由浮標(biāo)上的配電箱提供一路具有過(guò)流保護(hù)功能的獨(dú)立的電源進(jìn)行供電。視頻監(jiān)控控制箱內(nèi)由視頻傳輸電源控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻傳輸模塊的電源控制。視頻傳輸電源控制板可以按照用戶(hù)設(shè)定好的工作模式，分別控制3G無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊和最多四路攝像頭的加斷電。視頻傳輸電源控制板為無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊上電后便啟動(dòng)視頻采集過(guò)程，控制各攝像頭加電工作，然后將視頻數(shù)據(jù)處理后通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)傳輸模塊上網(wǎng)將視頻數(shù)據(jù)傳送到指定IP或域名的安裝了客戶(hù)端軟件的電腦上。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮標(biāo)周?chē)Ｓ虻膶?shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 視頻控制模塊硬件結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.2 Illustration of the hardware structure of video controlmodule

視頻控制模塊硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

2.1 浮標(biāo)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了防止功耗較大的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)浮標(biāo)采集控制系統(tǒng)造成干擾，視頻監(jiān)控系統(tǒng)由浮標(biāo)上的配電箱提供一路獨(dú)立的開(kāi)關(guān)進(jìn)行單獨(dú)供電。浮標(biāo)供電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板與免維護(hù)蓄電池組合方式供電［5］。

2.2 3G無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊

本設(shè)計(jì)中的3G無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊采用市面上成熟的3G無(wú)線(xiàn)視頻模塊。這類(lèi)模塊一般采用高性能的32位嵌入式處理器，內(nèi)嵌完備的TCP／IP協(xié)議棧，可適應(yīng)不同的行業(yè)應(yīng)用需求和運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境［6］。

2.3 視頻系統(tǒng)電源管理模塊設(shè)計(jì)

視頻控制模塊的主要功能是將輸入的寬范圍的電壓（9～18 V）轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足視頻傳輸模塊和攝像頭的工作電壓（12 V），并可用于控制視頻傳輸模塊的加斷電時(shí)間［7］，例如可以設(shè)置系統(tǒng)只在白天加電工作或者每個(gè)小時(shí)只工作幾分鐘的工作模式，這樣既能保證圖片質(zhì)量，還可以節(jié)約浮標(biāo)系統(tǒng)的耗電量。

圖3 攝像頭不銹鋼護(hù)罩三維示意圖Fig.3 3-D illustration of camera stainless steel shroud

2.4 防腐蝕水密攝像頭設(shè)計(jì)

海上長(zhǎng)期暴曬與水霧的長(zhǎng)期腐蝕，使得攝像設(shè)備材料容易開(kāi)裂或者受到化學(xué)腐蝕，影響攝像頭的拍攝，所以對(duì)攝像頭與防護(hù)外殼的材質(zhì)要求很高，既要考慮防護(hù)殼內(nèi)攝像頭的緊固和密封，又要保證拍攝的清晰度。因此本系統(tǒng)在攝像設(shè)備外部增加一層專(zhuān)用316不銹鋼外殼保護(hù)裝置（見(jiàn)圖3），不銹鋼材料抗腐蝕與防暴曬性能良好，外殼的前端放置一層玻璃，玻璃周?chē)讳P鋼殼前端凸出一部分，玻璃內(nèi)嵌在里面，內(nèi)部采用“O”型圈密封［8］，周邊再涂抹906密封膠。這樣既考慮了密封，又保證了拍攝清晰度，兩層外殼對(duì)攝像頭起到了雙重保護(hù)的作用。通信電纜通過(guò)由防紫外線(xiàn)、耐腐蝕的尼龍66材質(zhì)的防水索頭引出，外層各連接處再涂抹906密封膠，特別惡劣的環(huán)境下還可以在外面刷一層防銹油漆。經(jīng)過(guò)改良的此攝像頭裝置地達(dá)到了防水、防潮、防腐蝕與防暴曬的目的，大大延長(zhǎng)了攝像頭的使用壽命。不銹鋼護(hù)罩與浮標(biāo)采用連桿連接，安裝時(shí)可以按具體要求去自由調(diào)整攝像角度。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，此設(shè)計(jì)安裝使用方便，能夠很好地完成系統(tǒng)所要求的功能。

2.5 天線(xiàn)

由于海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)整體是由鐵殼構(gòu)成的封閉屏蔽殼體，普通室內(nèi)天線(xiàn)放在艙內(nèi)沒(méi)有信號(hào)，因此天線(xiàn)部分的設(shè)計(jì)采用視頻天線(xiàn)先用饋線(xiàn)引至浮標(biāo)小平臺(tái)，然后再連接外置天線(xiàn)的方式。外置天線(xiàn)采用高增益抗惡劣環(huán)境的玻璃鋼全向天線(xiàn)。

3 視頻圖像接收軟件設(shè)計(jì)

視頻圖像接收客戶(hù)端軟件主要功能是將視頻圖像數(shù)據(jù)通過(guò)可傳輸大數(shù)據(jù)量的3G internet網(wǎng)絡(luò)接收到本地計(jì)算機(jī)，然后使用該軟件進(jìn)行畫(huà)面實(shí)時(shí)監(jiān)視、本地與遠(yuǎn)程錄像播放、流量管理、系統(tǒng)管理和控制等［9］。視頻傳輸系統(tǒng)通信架構(gòu)圖見(jiàn)圖4，視頻數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 視頻數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig.5 Flowchart of video data transmission

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3G無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝在位于黃海海域（日照外海）的十米大型海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上，正常工作近兩年。為節(jié)約浮標(biāo)上的電能，監(jiān)控系統(tǒng)采用每1 h工作10 min的工作模式，期間發(fā)現(xiàn)有不明漁船靠近浮標(biāo)、滸苔路過(guò)該浮標(biāo)站和大浪沖擊浮標(biāo)平臺(tái)等的情況，截圖見(jiàn)圖6～9。

圖6 可疑漁船靠近浮標(biāo)截圖Fig.6 Intersection figure of suspicious boats approaching a buoy

圖7 大片滸苔飄過(guò)浮標(biāo)截圖Fig.7 Intersection figure of large enteromorpha drifting a buoy

圖8 大浪沖擊浮標(biāo)截圖Fig.8 Intersection figure of largewave hitting a buoy

圖9 風(fēng)平浪靜的海面截圖Fig.9 Intersection figure of calm sea surface

圖6是2010年9月13日12：00從浮標(biāo)上傳回的圖像，從圖中可以看到，有一漁船靠近并登上浮標(biāo)，并有兩人登上浮標(biāo)活動(dòng)。圖7是2011年7月12日13：00傳回的圖像，可以明顯看到該季節(jié)海上已生長(zhǎng)了大片滸苔。圖8是2011年12月10日9：00傳回的圖像，圖中顯示了冬季來(lái)臨冷空氣南下時(shí)帶來(lái)的大浪拍打浮標(biāo)的情景。圖9是2012年4月15日8：00傳回的圖像，該圖像顯示海況很好，幾乎沒(méi)有什么波浪，只能看到些許的波紋。

該視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝在近海浮標(biāo)上工作的兩年多時(shí)間里，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，按照程序設(shè)定的工作時(shí)間傳回了大量圖像。從浮標(biāo)上傳回的部分圖像可以直觀有效地幫助用戶(hù)了解到海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)是否有人登標(biāo)、海面上的海洋生物隨季節(jié)變化的情況以及在不同季節(jié)臺(tái)風(fēng)或冷空氣影響下對(duì)海面的影響情況。同樣從圖中也可以看到，以目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)的配置還存在不少問(wèn)題，例如圖像不能清晰地顯示船只的舷號(hào)、人員的面部特征；圖像受光線(xiàn)影響較大，傳回的圖片顏色有些失真，中午強(qiáng)光照射時(shí)由于鏡面反射的原因，圖像非常模糊等［10］。另外攝像機(jī)所拍攝的圖片角度固定，攝像頭不能旋轉(zhuǎn)，不能多角度拍攝。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)海上特殊的環(huán)境條件，重點(diǎn)解決了暴露在露天環(huán)境下的視頻設(shè)備的防水密封、耐鹽霧腐蝕以及系統(tǒng)低功耗的問(wèn)題。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的電源控制設(shè)計(jì)有效地降低了系統(tǒng)的功耗，并且可根據(jù)無(wú)人平臺(tái)的電源配置情況使視頻系統(tǒng)的功耗變得可控；攝像頭的外殼再設(shè)計(jì)，可以有效耐受海上惡劣的使用環(huán)境，不會(huì)銹蝕、進(jìn)水。以上兩種設(shè)計(jì)成功地解決了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在無(wú)人值守的海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上長(zhǎng)期使用的技術(shù)難題，但目前視頻傳輸?shù)姆秶鷥H限制在3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，有效距離局限于離岸20海里的范圍內(nèi)［11］。由于視頻文件通常較大，數(shù)據(jù)的通信成本較高、通信時(shí)消耗的電能較多，因此，以后可通過(guò)控制視頻傳輸模塊的工作時(shí)間和降低畫(huà)面分辨率以達(dá)到節(jié)約通信成本和電能的目的。今后，我們將主要研究視頻圖像在惡劣天氣下鏡頭清理、改善視頻圖像的分辨率、減小視頻圖像的色差以及攝像頭的多角度旋轉(zhuǎn)等問(wèn)題的解決方法。

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Design of 3G wireless video monitoring system on ocean monitoring buoy

GUO Fa-dong1，LIU Hai-feng1，LI Lin2，LI Xuan-qun1，LI Min1，LIU Shi-xuan1，LI Xiao-dong2
（1．Shandong Provincial Key Labo ratory of Ocean Environmental Monito ring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，China；2．Atmospheric Detection Technology Guaran tee Center of Fu jian Province，F(xiàn)uzhou 350001，China）

We devise a 3G wireless video monitoring systemapp licable to large-scale unattendedocean data buoy．It emp loys a duty circuit to control power consump tion of the w ireless video transmission module，so its power consump tion is reduced．We also design waterp roof technology for an ordinary camera，which can endure harsh ocean environment．It has been installedin a business operation buoy．Recent two-year video data show that itsmonitoring effect is better，and that it can effec tively findsuch issues as buoy safety and marine pollution．

3G wireless video system；monitoring；buoy

P715

A

1002-4026（2014）05-0093-05

10.3976／j.issn.1002－4026.2014.05.017

2013-09-17

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2007AA092001-1）；福建省社會(huì)發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目（2013Y0020）。

郭發(fā)東（1976－），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ髢x器設(shè)備的應(yīng)用。